KR100968807B1 - Variable gain amplifier and reciver including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 가변이득증폭기는 이득 제어 전압을 발생하는 이득 제어부, 상기 이득 제어 전압에 선형적으로 비례하는 전압이득을 이용하여 입력 신호와 피드백 신호를 증폭하고 상기 증폭된 신호를 일정한 크기의 신호로 변환하는 가변 증폭부, 그리고 상기 가변 증폭부의 출력 신호로부터 오프셋을 제거하고 상기 오프셋 제거 결과를 상기 피드백 신호로서 출력하는 오프셋 제거부를 포함하며, 상기 가변 증폭부는 복수의 트랜스컨덕터 회로들로 구성된다.
가변이득증폭기, 선형성, 트랜스컨덕터, 지수함수, OTA, dB-linear
The variable gain amplifier of the present invention amplifies an input signal and a feedback signal using a gain control unit for generating a gain control voltage, a voltage gain linearly proportional to the gain control voltage, and converts the amplified signal into a signal having a constant magnitude. And a variable amplifying unit which removes an offset from an output signal of the variable amplifying unit and outputs the offset elimination result as the feedback signal. The variable amplifying unit includes a plurality of transconductor circuits.
Variable Gain Amplifier, Linearity, Transconductor, Exponential Function, OTA, dB-linear
Description
본 발명은 신호의 크기를 자동으로 조절하는 가변이득증폭기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 넓은 동적 범위를 가지는 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기에 관한 것이다.The present invention relates to a variable gain amplifier for automatically adjusting the size of a signal, and more particularly, to a variable gain amplifier having a wide dynamic range and a receiver including the same.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2005-S-017-03, 과제명 : 초저전력 RF/HW/SW 통합 SoC].The present invention is derived from the research conducted as part of the IT growth engine technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management Number: 2005-S-017-03, Assignment Name: Ultra-low-power RF / HW / SW Integrated SoC].
디스크 드라이버, 보청기, 의학장비(medical equipment), 광 수신기 등과 같은 다양한 응용분야에서 가변이득증폭기(Variable Gain Amplifier ; VGA)는 없어서는 안 될 중요한 블록이다. 특히 이동통신 시스템에서 가변이득증폭기는 신호환경이 잡음에 노출되어 있는 낮은 신호파워에서는 잡음을 극복할 수 있도록 큰 이득을 제공할 수 있어야 하고, 수신되는 신호가 최대 파워로 들어올 때에는 신호왜곡(distortion)이 심해지지 않도록 낮은 이득을 제공할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 가변이득증폭기가 가변할 수 있는 이득범위가 가능한 큰 동적 범위(high dynamic range)를 가져야 한다. 그래야만 수신되는 신호를 디지털회로(DSP)를 통해 원래의 신호(original signal)로 안정되게 복원해 낼 수 있게 된다.In various applications such as disk drivers, hearing aids, medical equipment, optical receivers, and the like, a variable gain amplifier (VGA) is an indispensable block. Especially in mobile communication system, variable gain amplifier should be able to provide big gain to overcome noise at low signal power where signal environment is exposed to noise, and signal distortion when received signal comes in full power. It should be possible to provide low gains to avoid this. To do this, the variable gain amplifier must have a high dynamic range that allows a variable gain range. Only then, the received signal can be stably restored to the original signal through the digital circuit DSP.
종래에는 제어전압에 선형적으로 비례하는 데시벨(dB) 단위의 전압이득을 제공하기 위해, 지수함수 특성을 지니는 BJT(Bipolar Junction Transistor)소자를 이용한 가변이득증폭기가 주로 이용되어 왔다. 그러나, CMOS 단일칩(SoC)에 대한 요구와 많은 회로기술개발 덕분에 현재는 CMOS 소자로도 지수함수적으로 선형적인 이득 특성을 갖는 가변이득증폭기가 구현되고 있다. 그러나, 이러한 CMOS 가변이득증폭기들이 지수함수적인 선형이득특성을 얻기 위해서는 많은 블록들을 필요로 하기 때문에, 구조가 복잡해지고 전류를 과다하게 소모하는 문제가 있다. 무엇보다도, CMOS 가변이득증폭기들은 이득이 큰 증폭소자인 만큼 공정과정에서 설계변수가 변할 때 설계치의 특성이 민감하게 변화하고 많이 왜곡되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, CMOS 가변이득증폭기의 칩 구현이 완벽하다 할지라도 칩 온도가 변함에 따라 주파수특성이나 이득 특성이 열화 되는 문제가 발생하게 된다.Conventionally, a variable gain amplifier using a bipolar junction transistor (BJT) device having an exponential function has been mainly used to provide a voltage gain in units of decibels (dB) linearly proportional to a control voltage. However, thanks to the demand for CMOS single-chip (SoC) and the development of many circuit technologies, variable gain amplifiers with exponentially linear gain characteristics are now implemented in CMOS devices. However, since these CMOS variable gain amplifiers require many blocks to obtain an exponential linear gain characteristic, the structure becomes complicated and consumes excessive current. First of all, CMOS variable gain amplifiers have a problem that the characteristics of the design value are sensitively changed and distorted much when the design variable changes in the process because the gain amplifier is a large gain. In addition, even if the chip implementation of the CMOS variable gain amplifier is perfect, there is a problem that the frequency characteristics or gain characteristics deteriorate as the chip temperature changes.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 지수함수적인 선형이득특성을 가지면서도 큰 선형 동적 범위(dynamic range)를 제공할 수 있는 CMOS 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기를 제공하는데 있다. Accordingly, an object of the present invention has been proposed to solve the above problems, a CMOS variable gain amplifier that can provide a large linear dynamic range while having an exponential linear gain characteristics and a receiver comprising the same To provide.
본 발명의 다른 목적은 단순한 구조와 저소비전력 특성을 가지는 CMOS 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a CMOS variable gain amplifier having a simple structure and low power consumption, and a receiver including the same.
본 발명의 또 다른 목적은 공정이나 온도변화에 대해 안정적인 특성을 갖는 CMOS 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기를 제공하는데 있다. It is still another object of the present invention to provide a CMOS variable gain amplifier having a stable characteristic against a process or a temperature change and a receiver including the same.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 가변이득증폭기는, 이득 제어 전압을 발생하는 이득 제어부; 상기 이득 제어 전압에 선형적으로 비례하는 전압이득을 이용하여 입력 신호와 피드백 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 일정한 크기의 신호로 변환하는 가변 증폭부; 그리고 상기 가변 증폭부의 출력 신호로부터 오프셋을 제거하고 상기 오프셋 제거 결과를 상기 피드백 신호로서 출력하는 오프셋 제거부를 포함하며, 상기 가변 증폭부는 복수의 트랜스컨덕터 회로들로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the variable gain amplifier according to the present invention comprises: a gain controller for generating a gain control voltage; A variable amplifier for amplifying an input signal and a feedback signal by using a voltage gain linearly proportional to the gain control voltage, and converting the amplified signal into a signal having a constant magnitude; And an offset removing unit for removing an offset from an output signal of the variable amplifier and outputting the offset elimination result as the feedback signal, wherein the variable amplifier comprises a plurality of transconductor circuits.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 트랜스컨덕터 회로들의 트랜스컨덕턴스 값을 안정된 값으로 조절하는 트랜스컨덕턴스 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the transconductance control unit for controlling the transconductance value of the plurality of transconductor circuits to a stable value, characterized in that it further comprises.
이 실시예에 있어서, 상기 트랜스컨덕턴스 제어부는 자동튜닝회로인 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the transconductance control unit is characterized in that the automatic tuning circuit.
이 실시예에 있어서, 상기 트랜스컨덕턴스 제어부는, 상기 가변이득증폭기 외부의 적어도 하나 이상의 트랜스컨덕터 회로와 공유되는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the transconductance control unit is shared with at least one transconductor circuit external to the variable gain amplifier.
이 실시예에 있어서, 상기 가변 증폭부는 상기 이득 제어 전압에 응답해서 상기 전압이득을 결정하고, 상기 전압이득을 이용하여 상기 입력 신호와 상기 피드백 신호를 증폭하는 이득 가변부; 그리고 상기 이득 가변부의 출력이 일정한 크기 를 갖도록 증폭하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The variable amplifier may include: a gain variable unit configured to determine the voltage gain in response to the gain control voltage, and to amplify the input signal and the feedback signal using the voltage gain; And an amplifier for amplifying the output of the gain variable part to have a predetermined size.
이 실시예에 있어서, 상기 이득 가변부는, 상기 이득 제어 전압에 응답해서 제 1 이득을 결정하고, 상기 제 1 이득을 이용하여 상기 입력 신호와 상기 피드백 신호를 증폭하는 제 1 트랜스컨덕터 단위 셀; 그리고 상기 이득 제어 전압에 응답해서 제 2 이득을 결정하고, 상기 제 2 이득을 이용하여 상기 제 1 트랜스컨덕터 단위 셀의 출력을 증폭하는 복수의 제 2 트랜스컨덕터 단위 셀들을 포함하는 것을 특징으로 한다.The gain variable unit may include: a first transconductor unit cell configured to determine a first gain in response to the gain control voltage, and to amplify the input signal and the feedback signal using the first gain; And a plurality of second transconductor unit cells that determine a second gain in response to the gain control voltage and amplify the output of the first transconductor unit cell using the second gain.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 트랜스컨덕터 단위 셀은 제 1 차동 입력 단자 쌍을 통해 상기 입력 신호를 받아들여 소정의 이득만큼 증폭하고, 상기 증폭 결과를 제 1 차동 출력 단자 쌍을 통해 출력하되, 상기 증폭 결과를 상기 제 1 차동 출력 단자 쌍에 접속된 저항을 통해 제 2 차동 입력 단자 쌍으로 피드백시키는 제 1 트랜스컨덕터; 그리고 제 3 및 제 4 차동 입력 단자 쌍을 통해 상기 제 1 트랜스컨덕터의 출력 신호와 상기 오프셋 제거부로부터 제공된 상기 피드백 신호를 받아들여 소정의 이득만큼 증폭하고, 상기 증폭 결과를 제 2 차동 출력 단자 쌍을 통해 출력하되, 상기 증폭 결과를 상기 제 2 차동 출력 단자 쌍에 접속된 전압 조절부를 통해 상기 제 3 차동 입력 단자 쌍으로 피드백시키는 제 2 트랜스컨덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the first transconductor unit cell receives the input signal through a first differential input terminal pair and amplifies it by a predetermined gain, and outputs the amplification result through the first differential output terminal pair, A first transconductor for feeding back said amplification result to a second differential input terminal pair through a resistor connected to said first differential output terminal pair; And receiving the output signal of the first transconductor and the feedback signal provided from the offset canceling unit through a third and fourth differential input terminal pairs and amplifying the feedback signal by a predetermined gain, and amplifying the amplification result of the second differential output terminal pair. And a second transconductor for outputting the amplification result to the third differential input terminal pair through a voltage regulator connected to the second differential output terminal pair.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전압조절부는 저항값 조절이 가능한 능동저항성분으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the first and the second voltage adjusting unit is characterized by consisting of an active resistance component capable of adjusting the resistance value.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전압조절부는 각각이 전류 통로가 직렬로 연결된 복수의 MOS 트랜지스터들로 구성되며, 상기 이득 제어 전압은 상기 복수의 MOS 트랜지스터들의 게이트 전압과 바디 전압의 레벨을 조절하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, each of the first and second voltage regulators includes a plurality of MOS transistors each connected with a current path in series, and the gain control voltage is a level of a gate voltage and a body voltage of the plurality of MOS transistors. It characterized in that to adjust.
이 실시예에 있어서, 상기 이득 가변부는 시스템의 스펙에서 요구하는 동적 범위만큼 상기 입력 신호 및 상기 피드백 신호를 증폭하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the gain variable unit is characterized in that for amplifying the input signal and the feedback signal by the dynamic range required by the specification of the system.
이 실시예에 있어서, 상기 증폭부는 시스템의 스펙에서 디지털 변환 효율이 최대가 되는 크기로 상기 이득 가변부의 출력을 증폭하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the amplifier is characterized in that for amplifying the output of the gain variable to the size that the digital conversion efficiency is the maximum in the specification of the system.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 지수함수적인 선형이득특성을 가지면서도 큰 선형 동적 범위(dynamic range)를 갖는 CMOS 가변이득증폭기를 제공할 수 있게 된다. 그리고, 단순한 구조와 저소비전력 특성을 가지면서도, 공정이나 온도변화에 대해 안정적인 특성을 갖는 CMOS 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기를 제공할 수 있게 된다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a CMOS variable gain amplifier having an exponential linear gain characteristics and a large linear dynamic range. In addition, it is possible to provide a CMOS variable gain amplifier having a simple structure and low power consumption, and having a stable characteristic against a process or temperature change, and a receiver including the same.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. This embodiment is not intended to limit the scope of the invention, but is presented by way of example only.
본 발명의 신규한 가변이득증폭기는 트랜스컨덕터를 코어회로로 사용하여 구성된다. 가변이득증폭기는 시스템 내부에 설계된 자동튜닝회로에 의해서 정밀하고 안정적으로 트랜스컨덕턴스(Gm) 값이 제어된다. 따라서, 어떠한 조건변화(공정, 시간, 온도)에서도 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스(Gm) 값이 기준 트랜스컨덕턴스 절대값에 비례하여 변화되지 않게 된다. 이와 같은 특성 때문에 가변이득증폭기 전체의 특성 또한 안정된 성능을 유지하게 된다. 또한, 본 발명의 가변이득증폭기는 오프셋 제거부를 통해 출력 신호에 존재하는 DC-오프셋을 제거한다. 그 결과, 수신기 시스템의 내부 회로에서 발생하는 DC-오프셋이나 2차 왜곡신호로부터 야기된 다이나믹 DC-오프셋이 증폭되지않고 제거되어, 보다 정확하고 안정된 출력을 얻을 수 있게 된다. 본 발명의 가변이득증폭기 및 이를 포함하는 수신기의 상세 구성은 다음과 같다.The novel variable gain amplifier of the present invention is constructed using a transconductor as the core circuit. Variable gain amplifiers control the transconductance (Gm) value precisely and reliably by an automatic tuning circuit designed inside the system. Therefore, the transconductance (Gm) value of the transconductor does not change in proportion to the absolute value of the reference transconductance under any condition change (process, time, temperature). Because of these characteristics, the characteristics of the entire variable gain amplifier also maintain stable performance. In addition, the variable gain amplifier of the present invention removes the DC-offset present in the output signal through the offset remover. As a result, the dynamic DC-offset caused by the DC-offset or the secondary distortion signal generated in the internal circuit of the receiver system is eliminated without being amplified, so that a more accurate and stable output can be obtained. Detailed configuration of the variable gain amplifier of the present invention and a receiver including the same are as follows.
도 1은 본 발명에 따른 가변이득증폭기(Variable Gain Amplifier ; VGA)(400) 및 이를 포함하는 이동통신 수신기(1000)의 전체 블록도이다. 도 1에 도시된 이동통신 수신기(1000)는 본 발명에서 제안하는 수신용 가변이득증폭기(400)를 포함하는 직접변환방식 수신기(Direct Conversion Receiver ; DCR)로서, 도 1에는 직접변환방식 수신기용 무선/아날로그 프론트 엔드(RF/Analog Front-end)의 블록 구성이 도시되어 있다. 그러나, 도 1에 도시된 수신기(1000)의 구성은 본 발명이 적용되는 일 실시예로서, 본 발명이 도 1에 도시된 수신기(1000)의 구성에만 국한되지 않음은 이 분야의 통상의 지식을 가진 이들에게 있어 자명하다.1 is a block diagram of a variable gain amplifier (VGA) 400 and a
도 1을 참조하면, 무선환경에서 안테나를 거쳐 수신된 RF 신호는 저잡음 증폭기(Low Noise Amp ; LNA)(100)와 믹서(mixer ; 200)를 통해 증폭 및 변조된다. 증폭 및 변조된 RF 신호는 저역통과필터(Low-Pass Filter ; LPF)(300)를 거치면서 채널외 신호잡음(noise)이 제거된다. 채널외 신호잡음이 제거된 이 수신 신호는 가변이득증폭기(VGA ; 400)로 입력된다. 도 1에는 저역통과필터(300)가 가변이득증폭기(400)에 앞서도록 배치된 구조가 도시되어 있다. 그러나, 이 또한 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 구성에 불과하며, 수신기의 구조에 따라서 가변이득증폭기(400)는 저역통과필터(300) 보다 앞서도록 배치될 수도 있다. Referring to FIG. 1, an RF signal received through an antenna in a wireless environment is amplified and modulated by a low noise amplifier (LNA) 100 and a
저역통과필터(300)는 저역통과 필터링을 수행하는 Gm-C형 필터(310)와 트랜스컨덕턴스 제어부(350, 이하 Gm 제어부로 칭함)로 구성된다. 그리고, 가변이득증폭기(400)는 가변 증폭부(410)와, 이득 제어부(450), 그리고 오프셋 제거부(DC offset canceller ; 470)로 구성된다. 아래에서 상세히 설명되겠지만, 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)는 모두 트랜스컨덕턴스형 CMOS 회로로 구성된다. 트랜스컨덕턴스형 CMOS 회로인 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)의 트랜스컨덕턴스(Gm)값은, 저역통과필터(300)에 구비된 Gm 제어부(350)에 의해서 정밀하고 안정적으로 제어된다. 도 1에는 Gm 제어부(350)가 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)에 공유되는 구성이 예시적으로 도시되어 있다. 그러나 이와 같은 구성은 수신기(1000)의 설계 특성에 따라 다양한 형태로 변경 가능하다. 예를 들면, Gm 제어부(350)는 저역통과필터(300) 내부에 구성될 수도 있고, 가변이득증폭기(400) 내부에 구성될 수도 있다. 그리고, Gm 제어부(350)는 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)에 공유될 수도 있고, 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400) 각각에 별도로 구성될 수도 있다. The
가변이득증폭기(400)로 입력된 다양한 크기의 신호는, 이득 제어부(450)의 제어에 의해 넓은 동적 범위의 이득으로 증폭되어 출력되는데, 이 신호는 출력되기 전에 시스템의 스펙에 맞는 일정한 크기의 신호로 만들어진 후 아날로그-디지털 변환기(이하, ADC로 칭함)(500)로 전달된다. 다시 말해, 다양한 크기를 갖는 저역통과필터(300)의 출력 신호는 가변이득증폭기(400)를 거치면서 시스템 스펙에 맞는 동적 범위만큼 증폭이 되고, ADC(500)의 디지털 변환 효율이 최대가 되는 일정한 크기의 신호로 바뀌게 된다. 이때, 가변이득증폭기(400)의 이득값은 AGC(Auto Gain Control)루프를 통해 만들어진 신호(Gain Control Signal)를 이용하여 제어된다.The signals of various magnitudes input to the
도 1에 도시된 수신기(1000)를 포함하여 현재 대부분의 이동통신 단말기에 사용하는 아날로그 저역통과필터(300)는, 트랜스컨덕터(Operational Transconductance Amplifier ; OTA)를 이용하여 설계되고 있다. 바이쿼드(biqud) 형태의 필터와, 자이레이터를 응용한 LC 레더(ladder) 형태의 필터는 모두 트랜스컨덕터의 응용 예들이다. 트랜스컨덕터를 이용하여 설계된 트랜스컨덕터형 아날로그 저역통과필터(300)의 트랜스컨덕턴스(Gm) 값은, 시스템 내부에 설계된 자동튜닝회로(Auto Tuning Circuit)인 Gm 제어부(350)에 의해서 정밀하고 안정적으로 제어된다. 그 결과, 어떠한 조건변화(공정, 시간, 온도)에서도 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스(Gm) 값이 기준 트랜스컨덕턴스 절대값에 비례하여 변화되지 않게 된다. 이와 같은 특성 때문에 저역통과필터(300) 전체의 특성 또한 안정된 성능을 유지하게 된다. The analog
이동통신 수신기에서 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)는 모두 주요 구성요소이며, 서로 인접하여 배치되는 이웃 블록이다. 가변이득증폭기(400)는 동 적 범위가 크고 상대적으로 이득도 크기 때문에 소자의 특성변화에 따라 전체 성능이 민감하게 변한다. 특히 도 1과 같은 직접변환방식(DCR)의 수신기(1000) 구조에서는 HD2(second harmonic distortion)신호에 의해 수신기(1000)의 특성이 영향을 받을 수 있다. In the mobile communication receiver, the
이와 같은 문제를 방지하기 위해, 본 발명에서는 안정된 성능을 제공하는 트랜스컨덕터의 특성을 저역통과필터(300) 뿐만 아니라 가변이득증폭기(400)에도 모두 적용한다. 이와 같은 구성에 따르면, 공정 변화뿐만 아니라 온도, 시간변화에도 특성의 열화 없이 수신기(1000)의 성능을 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 더욱이 본 발명에서 가변이득증폭기(400)가 트랜스컨덕터형 CMOS 회로로 설계되기 때문에, 트랜스컨덕터형으로 구성되지 않는 타 증폭기에 비해 상당히 넓은 범위까지 입출력 특성이 선형성을 보장할 수 있게 된다. 또한, 타 증폭기에 비래 전력소모가 작기 때문에 저전력 저왜곡 특성을 가지게 된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 수신기(1000) 내에서 서로 인접하여 배치되는 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)는 Gm 제어부(350)를 공유하여 트랜스컨덕턴스(Gm) 값이 제어되기 때문에, 회로의 중복을 방지할 수 있다. 그리고, 저역통과필터(300)와 가변이득증폭기(400)를 구성하는 트랜스컨덕터형 CMOS 회로의 연속적인 배치로 인해 구조가 간단해져 설계면적을 효율적으로 줄일 수 있게 된다. In order to prevent such a problem, the present invention applies both the characteristics of the transconductor providing stable performance to the
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 가변이득증폭기(400)의 상세 블록도이다.2 is a detailed block diagram of the
도 2를 참조하면, 가변이득증폭기(400)는 가변 증폭부(410), 이득 제어부(450), 및 오프셋 제거부(470)를 포함한다. 이득 제어부(450)는 AGC(Auto Gain Control)루프를 통해 만들어진 신호(Gain Control Signal)에 응답해서, 가변 증폭부(410)의 이득값을 제어하는 이득 제어 전압(VCB, VCG)을 발생한다. 오프셋 제거부(470)는 제 1 오프셋 제거부(471)와 제 2 오프셋 제거부(472)로 구성된다. 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)는 가변 증폭부(410)의 출력 신호에 존재하는 DC-오프셋을 증폭루프와 연계하여 제거시킨다. 이때, 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)와 가변 증폭부(410)는 네거티브 피드백을 구성하도록 연결된다. 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)에서 DC-오프셋을 제거하는 방식으로는, 예를 들면 저항, 커패시터, 트랜스컨덕터들을 이용하는 저역통과필터링 방식 등이 적용될 수 있다. Referring to FIG. 2, the
가변 증폭부(410)는 이득 가변부(420)와 증폭부(430)로 구성된다. 이득 가변부(420)는 저역통과필터(300)로부터 다양한 크기의 신호를 입력받아 시스템 스펙에 맞는 넓은 동적 범위의 이득만큼 증폭하는 기능을 수행한다. 이득 가변부(420)에 의해 증폭된 결과는 증폭부(430)로 입력되어 시스템의 스펙 내에서 디지털 변환 효율이 최대가 되는 일정한 크기의 신호로 바뀌게 된다. 증폭부(430)의 출력은 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)를 통해 DC-오프셋이 제거된 후 이득 가변부(420)로 피드백된다. DC-오프셋이 제거된 출력 신호는 이득 가변부(420)와 증폭부(430)를 통해 ADC(500)로 출력된다.The
이득 가변부(420)는, 이득 제어부(450)로부터 발생된 이득 제어 전압(VCB, VCG)에 응답해서 이득을 가변하고, 이득 가변 결과로서 이득 제어 전압(VCB, VCG)에 선형적으로 비례하는 데시벨(dB) 단위의 전압이득을 제공한다. 아래에서 상세히 설명되겠지만, 이득 제어부(450)로부터 발생된 VCG는 이득 가변부(420)를 구성하는 MOS 저항들의 게이트 전압(VG)을 제어하는데 사용되고, VCB는 이득 가변부(420)를 구성하는 MOS 저항들의 바디 전압(VB)을 제어하는데 사용된다. The gain
이득 가변부(420)의 구체적인 구성을 살펴보면, 이득 가변부(420)는 1개의 제 1 VGA(Variable Gain Amplifier) 단위 셀(421)과 복수 개의 제 2 VGA 단위 셀들(422, 423)로 구성된다. 도 2에는 제 1 및 제 2 VGA 단위 셀들(421-423)이 한국특허등록공보 제648379호, 미국특허 공개공보 US20070126501A1의 Gm-VGA 셀의 구조를 바탕으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 제 1 및 제 2 VGA 단위 셀들(421-423)의 기본동작은 상기 특허 공보에 기재된 동작을 따른다. 따라서 일부 Gm-VGA셀(VGA unit-cell)의 자세한 동작에 대해서는 이곳에 설명되어 있지 않는다. 그러나, 본 발명의 제 1 및 제 2 VGA 단위 셀들(421-423)은 이동통신시스템의 수신용 가변이득증폭기에 적합하도록 새로이 구성된 것으로, 본 발명의 제 1 및 제 2 VGA 단위 셀들(421-423)은 상기 특허들에 기재된 Gm-VGA 셀 구조뿐만 아니라 다른 형태의 Gm-VGA 셀을 이용하여 구성될 수도 있다. Looking at a specific configuration of the gain
제 1 VGA 단위 셀(421)은 저역통과필터(300)로부터 제공된 차동 입력 신호(INp1, INm1)와, 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)로부터 제공된 피드백 신호(INp2, INm2)를 입력받아 소정의 이득만큼 증폭하여 출력한다. 상기 이득은 이득 제어부(450)로부터 발생된 이득 제어 전압(VCB, VCG)에 의해 조절된다. 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)로부터 제공된 피드백 신호(INp2, INm2)는 DC-오프셋을 제거하기 위한 목적으로 받아들이는 출력 피드백신호이다. The first
복수 개의 제 2 VGA 단위 셀들(422, 423)은 각각 앞 단의 VGA 셀(예를 들면, 421)의 출력을 입력받아 소정의 이득만큼 증폭하고, 증폭 결과를 다음 단의 VGA 셀(예를 들면, 423)로 출력한다. 상기 이득은 이득 제어부(450)로부터 발생된 이득 제어 전압(VCB, VCG)에 의해 조절된다. 이와 같은 입출력 동작은 직렬로 연결된 제 2 VGA 단위 셀들(422, 423)에서 연속적으로 수행된다. 이득 가변부(420)에 구비되는 제 1 및 제 2 VGA 단위 셀들(421-423)의 개수는, 시스템에서 요구하는 동적 범위에 맞추어 결정된다. 예를 들어, 각 VGA 단위 셀이 수십dB의 dB-선형적인(dB-linear) 동적 범위을 가지고 있다면, 시스템에서 요구되는 동적 범위를 충족하기 위해서는 단위 셀이 동적 범위의 배수만큼 필요하게 된다. 가령 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 단말기 같은 경우는 70dB 이상의 가변이득 범위를 가져야 하는데, VGA 단위 셀이 18dB 정도의 동적 범위를 갖는다면, 총 4개의 VGA 단위 셀들이 연속적으로 이어지도록 구성되어야 시스템 스펙을 만족할 수 있게 된다. 이득 가변부(420)에 포함된 VGA 단위 셀들(421, 422, 423)의 개수가 증가할수록 DC-오프셋의 제거율이 높아지게 된다.Each of the plurality of second
한편, 도 2에는 이득 가변부(420) 다음 단에 증폭부(430)가 연결되는 형태가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나, 이는 본 발명이 적용되는 일 실시예에 불과하 며, 이득 가변부(420)와 증폭부(430)의 연결 상태는 다양한 형태로 변경 및 변형 가능하다. 예를 들면, 이득 가변부(420)는 증폭부(430) 다음 단에 연결될 수도 있고, 증폭부(430) 내부에 이득 가변부(420)가 삽입될 수도 있다. 2 illustrates an example in which an
도 3은 도 2에 도시된 제 1 VGA 단위 셀(421)의 상세 구성을 보여주는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 제 2 VGA 단위 셀(422)의 상세 구성을 보여주는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration of the first
먼저 도 3을 참조하면, 제 1 VGA 단위 셀(421)은 동일한 특성을 가진 제 1 및 제 2 트랜스컨덕터(4211, 4212 ; 도면에는 OTA로 표시됨)로 구성된다. 제 1 트랜스컨덕터(4211)는 저역통과필터(300)로부터 제공된 차동 입력 신호(INp1, INm1)를 제 1 차동 입력 단자 쌍을 통해 받아들이고, 상기 입력 신호(INp1, INm1)를 소정의 이득만큼 증폭한다. 증폭된 결과는 제 1 차동 출력 단자 쌍을 통해 출력된다. 제 1 차동 입력 단자 쌍과 제 1 차동 출력 단자 쌍 사이에는 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)이 각각 연결된다. 제 1 트랜스컨덕터(4211)로부터 발생된 차동 출력 신호는 저항(R1, R2)을 거쳐 네거티브 피드백되어 제 1 트랜스컨덕터(4211)의 제 2 차동 입력 단자 쌍으로 입력된다. 이때, 저항(R1, R2)은 밴드폭을 부스팅하는 역할을 한다. 제 2 트랜스컨덕터(4212)는, 제 3 차동 입력 단자 쌍을 통해 제 1 트랜스컨덕터(4211)의 출력을 받아들이고, 제 4 차동 입력 단자 쌍을 통해 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)로부터 제공된 피드백 신호(INp2, INm2)를 받아들인다. 그리고, 제 2 트랜스컨덕터(4212)는 이득 제어부(450)로부터 발생된 이득 제어 전압(VCB, VCG)에 응답해서 제 1 트랜스컨덕터(4211)의 출력과 피드백 신호(INp2, INm2)를 소정의 이득만큼 증폭한다. 제 2 트랜스컨덕터(4212)의 증폭 결과는 제 2 차동 출력 단자 쌍으로 제공된다. 제 3 차동 입력 단자 쌍과 제 2 차동 출력 단자 쌍 사이에는 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)가 각각 연결된다. 제 2 트랜스컨덕터(4212)로부터 발생된 차동 출력 신호는 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)를 거쳐 네거티브 피드백되어 제 2 트랜스컨덕터(4212)의 제 3 차동 입력 단자 쌍으로 입력된다.First, referring to FIG. 3, the first
제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)는 저항값 조절이 가능한 능동저항 성분으로 구성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)는 도 3에 도시된 바와 같이 MOS 트랜지스터들(즉, MOS 저항)로 구성될 수도 있다. 즉, 본 발명에서는 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)에 포함된 MOS 트랜지스터들의 드레인-소오스 전압(Vds)의 변화가 클 경우, 저항값 변이로 인한 신호 왜곡을 피하기 위해 복수 개의 MOS 트랜지스터들이 연속적으로 연결된 구성을 갖는다. 여기서, 복수의 MOS 트랜지스터들의 전류 통로는 직렬로 연결되는 형태를 가진다.The first and
본 발명에서는 이득 제어부(450)로부터 발생된 이득 제어 전압(VCG, VCB)을 이용하여 트라이오드 영역에서 동작하는 MOS 저항들의 게이트 전압(VG)과 바디 전압(VB)을 제어함으로써 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)의 저항값을 조절한다. 제 1 및 제 2 저항(R1, R2) 및 제 1 및 제 2 전압조절부(4213, 4214)의 저항값에 따라서 제 1 VGA 단위 셀(421)의 이득이 결정된다. In the present invention, the gain control voltages V CG and V CB generated by the
한편, 제 1 및 제 2 트랜스컨덕터(4211, 421)에는 Gm 제어부(350)로부터 발생된 트랜스컨덕턴스 제어전압(VC-GM)이 입력되어, 제 1 및 제 2 트랜스컨덕터(4211, 421)의 트랜스컨덕턴스 값(Gm)이 안정되게 조절된다. 그 결과, 제 1 VGA 단위 셀(421)은 공정변화뿐만 아니라 온도, 시간변화에도 특성의 열화없이 안정적인 성능을 유지하게 된다.On the other hand, the transconductance control voltage VC-GM generated from the
도 4를 참조하면, 제 2 VGA 단위 셀(422)은 동일한 특성을 가진 제 1 및 제 2 트랜스컨덕터(4221, 4222)로 구성된다. 제 1 트랜스컨덕터(4221)에는 제 3 및 제 4 저항(R3, R4)이 각각 연결되고, 제 2 트랜스컨덕터(4222)에는 제 1 및 제 2 전압조절부(4223, 4224)가 각각 연결된다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 VGA 단위 셀(421)의 제 2 트랜스컨덕터(4212)가 제 1 및 제 2 오프셋 제거부(471, 472)로부터 피드백 신호(INp2, INm2)를 제공받는 것을 제외하면, 제 1 VGA 단위 셀(421)과 제 2 VGA 단위 셀(422)의 기본 구성은 서로 동일하다. 그러므로, 증복되는 설명을 피하기 위해 제 2 VGA 단위 셀(422)에 대한 중복되는 설명은 이하 생략하기로 한다.Referring to FIG. 4, the second
다시 도 2를 참조하면, 증폭부(430)는 직렬로 연결된 복수의 트랜스컨덕터들(431, 432)을 포함한다. 상기 트랜스컨덕터들(431, 432, 즉 OTA)의 기본 구성은 이득 가변부(420)를 구성하는 트랜스컨덕터들(421, 422, 423)와, 저역통과필터(300)의 필터(310)를 구성하는 트랜스컨덕터(미 도시됨)의 기본 구성과 실질적으로 동일하다. 증폭부(430)의 이득은 각각의 트랜스컨덕터(431, 432)의 차동 출력단 사이에 연결된 출력부하의 저항성분의 크기에 따라 결정된다. 증폭부(430)에는 전압이득을 제어할 수 있는 추가신호는 제공되지 않는다. 보통 트랜스컨덕터 하나의 이득은 70dB 이상의 이상적인 이득을 제공한다. 그러므로, 적은 수의 트랜스컨덕터만으로도 충분히 원하는 이득을 얻을 수 있다. 따라서, 증폭부(430)에서는 단지 주파수 특성만을 고려하여 저항값과 트랜스컨덕터의 개수를 결정하게 된다. Referring back to FIG. 2, the
상기 트랜스컨덕터들(431, 432)의 트랜스컨덕턴스(Gm) 값은 Gm 제어부(350)의 제어에 의해 정밀하고 안정적인 값을 갖도록 제어된다. Gm 제어부(350)는 이득 가변부(420)를 구성하는 트랜스컨덕터들(421, 422, 423)과, 증폭부(430)에 구비된 복수의 트랜스컨덕터들(431, 432), 그리고 저역통과필터(300)의 필터(310)를 구성하는 트랜스컨덕터(미 도시됨)의 트랜스컨덕턴스(Gm) 값을 모두 제어한다. 트랜스컨덕턴스(Gm) 값의 조절을 위해 Gm 제어부(350)는 자동튜닝회로로 구성된다. The transconductance Gm values of the
일차로 이득 가변부(420)에서 가변 증폭된 신호는 증폭부(430)로 입력되어 다시 증폭된다. 증폭부(430)의 출력은 일정크기로 고정되도록 증폭이 된다. 즉, 앞 단의 이득 가변부(420)에서 동적 범위만큼 증폭된 신호가 ADC(500)로 제공되기 전에 ADC(500)의 디지털 변환 효율이 최대가 될 수 있는 일정한 크기의 신호로 바뀌게 되는 것이다. First, the signal variable amplified by the gain
도 5는 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기(400)의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다. 5 is a graph showing the frequency characteristics of the transconductor type
도 5에 도시된 시뮬레이션 결과를 참조하면, AGC(Auto Gain Control)루프를 통해 만들어진 신호(Gain Control Signal)에 따라서 가변이득증폭기(400)의 전체의 이득특성이 변하는 것을 알 수 있다. 또한 오프셋 제거부(470)의 DC-오프셋 제거 동작에 의해 대략 DC 근처에서는 마이너스이득을 가지고 최대 이득에서는 컷 오프 지점이 수 kHz를 넘지 않게 된다. 이 경우, 3dB 밴드폭은 저역통과필터의 채널 필터링을 고려하여 크게 설계되어야 한다. Referring to the simulation result shown in FIG. 5, it can be seen that the overall gain characteristic of the
도 6은 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기(400)의 dB이득을 보여주는 그래프이다. 도 6에는 1MHz 옵셋에서의 이득조절전압에 따른 가변이득증폭기(400) 출력의 dB이득이 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 가변이득증폭기(400)는 이득 제어 전압에 대해 70dB 이상의 상당히 선형적인 dB 이득 특성을 가짐을 알 수 있다. 6 is a graph showing the dB gain of the transconductor type
도 7은 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기(400)의 dB-선형 에러 특성을 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기(400)는 70dB 이상의 이득 조절 범위 내에서 대략 0.5dB 이하의 선형 에러를 가진다. 즉, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가변이득증폭기(400)는 보다 간단한 구성으로 DC 오프셋을 제거할 수 있으며, 조절 전압에 대해서 넓은 동적 범위를 갖는 지수 함수적인 선형 이득 특성을 제공할 수 있는 효과가 있다. 7 is a graph showing the dB-linear error characteristic of the transconductor
또한, 본 발명의 가변이득증폭기(400)는 트랜스컨덕터가 코어회로로 사용되기 때문에 공정 변화뿐만 아니라 온도, 시간변화에도 특성의 열화 없이 안정적인 성능을 유지하게 된다. 그리고, 본 발명의 가변이득증폭기(400)는 트랜스컨덕터를 이용하여 구성되기 때문에 전류를 적게 소모할 뿐만 아니라, 인접 회로인 저역통과필터(300)와 연계 설계가 가능해져, 설계기간 단축, 설계면적의 효율화, 및 고정밀 제어가 가능해지는 효과가 있다. 이 경우, 본 발명의 가변이득증폭기(400)는 트랜스컨덕턴스(Gm)값을 조절하기 위한 Gm 제어부를 별도로 구성하지 않고 저역통과필터(300)와 Gm 제어부(350)를 공유하는 구성을 갖는다. 따라서, 트랜스컨덕턴스(Gm)값의 제어 및 회로 구성이 간단해 지는 장점이 있다.In addition, the
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명에 따른 가변이득증폭기(Variable Gain Amplifier ; VGA) 및 이를 포함하는 이동통신 수신기의 전체 블록도이다. 1 is a block diagram of a variable gain amplifier (VGA) and a mobile communication receiver including the same according to the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 가변이득증폭기의 상세 블록도이다.FIG. 2 is a detailed block diagram of the variable gain amplifier of the present invention shown in FIG. 1.
도 3은 도 2에 도시된 제 1 VGA 단위 셀의 상세 구성을 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration of a first VGA unit cell shown in FIG. 2.
도 4는 도 2에 도시된 제 2 VGA 단위 셀의 상세 구성을 보여주는 도면이다. FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of a second VGA unit cell shown in FIG. 2.
도 5는 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다. 5 is a graph showing the frequency characteristics of the transconductor type variable gain amplifier of the present invention.
도 6은 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기의 dB이득을 보여주는 그래프이다. 6 is a graph showing the dB gain of the transconductor type variable gain amplifier of the present invention.
도 7은 본 발명의 트랜스컨덕터형 가변이득증폭기의 dB-선형 에러 특성을 보여주는 그래프이다. 7 is a graph showing the dB-linear error characteristic of the transconductor variable gain amplifier of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 저잡음 증폭기(LNA) 200 : 믹서100: low noise amplifier (LNA) 200: mixer
300 : 저역통과필터(LPF) 350 : 트랜스컨덕턴스(Gm) 제어부300: low pass filter (LPF) 350: transconductance (Gm) control unit
400 : 가변이득증폭기(VGA) 410 : 가변 증폭부400: variable gain amplifier (VGA) 410: variable amplifier
420 : 이득 가변부 430 : 증폭부420: gain variable section 430: amplification section
450 : 이득 제어부 470 : 오프셋 제거부450: gain control unit 470: offset removal unit
500 : 아날로그-디지털 변환기(ADC) 1000 : 수신기500: analog-to-digital converter (ADC) 1000: receiver
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